线性变换及其矩阵

线性变换的矩阵表示线性变换是数学中的重要概念，它在许多领域都有广泛应用。

线性变换可以通过矩阵表示，这种表示形式方便计算和讨论线性变换的性质。

本文将介绍线性变换的矩阵表示以及相关概念和性质。

1. 线性变换的定义线性变换是指满足以下两个条件的映射：(1) 对于任意向量u和v以及实数a和b，线性变换T满足T(a*u +b*v) = a*T(u) + b*T(v)。

(2) 线性变换T对于向量的加法和数乘运算封闭，即T(u + v) = T(u) + T(v)，T(k*u) = k*T(u)（k为实数）。

2. 矩阵表示的意义线性变换的矩阵表示可以将线性变换转化为矩阵的乘法运算，从而方便计算和分析线性变换的性质。

对于任意线性变换T，可以找到一个矩阵A，使得对于任意向量u，有T(u) = A*u。

矩阵A被称为线性变换T的矩阵表示。

3. 线性变换的矩阵表示方法线性变换的矩阵表示可以通过以下步骤得到：(1) 选择标准基下的基向量，分别记作e1, e2, ..., en。

(2) 对于每个基向量ei，计算线性变换T(ei)的坐标表示，得到矩阵A的第i列。

(3) 将所有计算得到的列向量排列起来，得到矩阵A。

4. 矩阵表示的性质线性变换的矩阵表示具有以下性质：(1) 线性变换的合成对应于矩阵的乘法。

对于线性变换T1和T2，它们的矩阵表示分别为A和B，则它们的合成线性变换对应的矩阵表示为A*B。

(2) 线性变换的逆对应于矩阵的逆。

若线性变换T存在逆变换，它们的矩阵表示分别为A和A^-1，则逆变换对应的矩阵表示为A^-1。

(3) 线性变换的像空间和核空间可以通过矩阵表示进行刻画。

像空间对应于矩阵的列空间，而核空间对应于矩阵的零空间。

5. 矩阵表示的例子考虑一个二维平面上的旋转变换，将向量绕原点逆时针旋转θ度。

选择标准基下的基向量为e1 = (1, 0)和e2 = (0, 1)。

对于基向量e1，旋转变换后的坐标表示为cosθ*e1 - sinθ*e2。

线性变换与矩阵的关系学院：数学与计算机科学学院班级：2011级数学与应用数学姓名：学号：线性变换与矩阵的关系（西北民族大学数学与应用数学专业，兰州 730124）指导教师一、线性变换定义1 设有两个非空集合V,U，若对于V中任一元素α，按照一定规则总有U中一个确定的元素β和它对应，则这个对应规则被称为从集合V到集合U的变换（或映射），记作β=T(α)或β=T α,( α∈V)。

设α∈V，T(α)= β,则说变换T把元素α变为β，β称为α在变换T下的象，α称为β在变换T下的源，V称为变换T的源集，象的全体所构成的集合称为象集，记作T(V)。

即T(V)={ β=T(α)|α∈V},显然T(V) ⊂U注：变换的概念实际上是函数概念的推广。

定义2 设V n,U m分别是实数域R上的n维和m维线性空间，T是一个从V n到U m得变换，如果变换满足（1）任给α1 ，α2∈V n，有T(α1+α2)=T(α1)+T(α2);（2）任给α∈V n，k∈R，都有 T(kα)=kT(α)。

那么，就称T为从V n到U m的线性变换。

说明：○1线性变换就是保持线性组合的对应的变换。

○2一般用黑体大写字母T,A,B,…代表现象变换，T(α)或Tα代表元α在变换下的象。

○3若U m=V n，则T是一个从线性空间V n到其自身的线性变换，称为线性空V n中的线性变换。

下面主要讨论线性空间V n中的线性变换。

二、线性变换的性质设T是V n中的线性变换，则(1)T(0)=0,T(-α)=-T(α);(2)若β=k1α1+k2α2+…+k mαm,则Tβ=k1Tα1+k2Tα2+…+k m Tαm;(3)若α1，…αm线性相关，则Tα1…Tαm亦线性相关；注：讨论对线性无关的情形不一定成立。

(4)线性变换T的象集T(V n)是一个线性空间V n的子空间。

记S T={α|α∈V n,T α=0}称为线性变换T的核，S T是V n的子空间。

线性变换与矩阵的关系线性代数是数学中的一个分支学科，它是整个数学的一个基础。

线性代数的核心概念是线性变换和矩阵。

线性变换可以被视为线性代数中最基本的概念，矩阵则是线性变换最常用的工具。

本文将探讨线性变换与矩阵之间的关系。

一、线性变换的定义线性变换是一种把向量空间V中的每一个元素映射到向量空间W中的一种映射。

如果对于每个向量x和每个标量c，我们都有T(x + cy) = T(x) + cT(y)，则此映射为线性变换。

其中，T为线性变换的运算符，y是向量空间V中的元素。

线性变换的一个重要性质是它保持线性运算。

这意味着，对于向量空间V中的任何两个向量x和y，以及标量c，都有：T(x + y) = T(x) + T(y)T(cx) = cT(x)这些性质使得线性变换在数学中扮演着重要的角色。

二、矩阵的定义矩阵是一个有限的、有序的、由数构成的矩形表。

我们通常用大写字母表示矩阵，例如A。

矩阵可以用来表示线性变换，而线性变换可以用矩阵来描述。

我们可以将矩阵视为一种数字表示，它包含了一个线性变换所以可能的操作。

三、线性变换和矩阵的关系线性变换和矩阵是密不可分的。

每个线性变换都可以表示为一个矩阵，而每个矩阵也可以表示为一个线性变换。

矩阵的第i行和第j列上的元素用a(i,j)表示。

我们可以用以下公式将一个向量空间中的向量转换成矩阵的形式：⎡ a(1,1) a(1,2) ... a(1,n)⎤⎢ a(2,1) a(2,2) ... a(2,n)⎥A = ⎢ ... ... ... ... ... ⎥⎢ a(n,1) a(n,2) ... a(n,n)⎥⎣⎦对于一个给定的矩阵A，我们可以将它作为线性变换T的矩阵表示。

这个线性变换对一个向量进行变换的方式为 T(x) = Ax，其中x为向量，Ax表示矩阵A和向量x的乘积。

矩阵乘法的目的是用一个矩阵描述一种线性变换。

在矩阵乘法中，行列式中每个元素都表示了一种特定的线性变换。

线性变换的矩阵表示线性变换与矩阵的关系与计算线性变换的矩阵表示——线性变换与矩阵的关系与计算在数学中，线性变换是一类重要的变换，具有广泛的应用背景。

线性变换可以通过矩阵来表示，这为我们在计算和理解线性变换提供了便利。

本文将介绍线性变换与矩阵的关系，以及如何进行线性变换的矩阵计算。

一、线性变换与矩阵的关系线性变换是指保持直线性质和原点不动的变换。

对于一个n维向量空间V中的向量x，若存在一个线性变换T，将向量x映射为向量y，即y=T(x)，则称T为从V到V的一个线性变换。

线性变换可以通过矩阵的乘法运算来表示。

设V是n维向量空间，取V中的一组基{v1,v2,...,vn}，在这组基下，对于向量x和y，若y=T(x)，则存在一个n×n的矩阵A，使得y=Ax。

这个矩阵A就是线性变换T对应的矩阵表示。

矩阵表示的好处在于，通过矩阵的乘法运算，我们可以将线性变换转化为矩阵的计算，从而简化问题的求解过程。

二、线性变换的矩阵表示对于线性变换T，我们希望找到它对应的矩阵表示A。

假设V是n 维向量空间，取V中的一组基{v1,v2,...,vn}。

根据线性变换的定义，对于向量vi，有T(vi)=wi，我们可以将T(vi)表示为基向量w1,w2,...,wn的线性组合。

设T(vi)=w1i+w2i+...+wni，其中wi是基向量wi的系数。

我们可以将系数wi构成一个列向量Wi，将基向量构成一个矩阵W。

则有W=[w1,w2,...,wn]，Wi=AW，其中A是线性变换T对应的矩阵表示。

求解矩阵A的方法有很多种，最常用的方法是利用线性变换T在基向量上的作用。

将基向量vi映射为向量wi，我们可以在基向量的基础上用线性组合的方式得到wi。

将所有的基向量和对应的映射向量展开，我们可以得到矩阵A的表达式。

三、线性变换的矩阵计算在得到线性变换的矩阵表示后，我们可以利用矩阵的乘法运算对线性变换进行计算。

设矩阵A对应线性变换T，向量x对应向量y，即y=Ax。

第三讲 线性变换及其矩阵一、线性变换及其运算定义：设V 是数域K 上的线性空间，T 是V 到自身的一个映射，使得对于V 中的任意元素x 均存在唯一的 y ∈V 与之对应，则称T 为V 的一个变换或算子，记为y x T =)(称y 为x 在变换T 下的象，x 为y 的原象。

若变化T 还满足)()()(y T x T y x T +=+ )()(x kT kx T = K k V y x ∈∈∀,,称T 为线性变换。

[例1] 二维实向量空间122i R R ξξξ⎧⎫⎡⎤=∈⎨⎬⎢⎥⎣⎦⎩⎭，将其绕原点反时针方向旋转θ角的操作即⎪⎪⎭⎫⎝⎛⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛2121cos sin sin cos ξξθθθθηη就是一个线性变换。

[例2] 次数不超过n 的全体实多项式nP 构成实数域上的一个1n +维的线性空间，其基可选为{}21,,,,n x xx ，微分算子dD dx=是n P 上的一个线性变换。

[例3] 取定矩阵nn K C B A ⨯∈,,，定义nn K ⨯的变换C XB AX X T ++=)( n n K X ⨯∈,是否是线性变换 2. 性质（1） 线性变换把零元素仍变为零元素 （2） 负元素的象为原来元素的象的负元素（3） 线性变换把线性相关的元素组仍变为线性相关的元素组 应该注意，线性无关的元素组经过线性变换不一定再是线性无关的。

但（4） 如果线性变换是一个单射，则把线性无关的元素组变为线性无关的元素组 3. 线性变换的运算（1） 恒等变换e T ：,e x V T x x ∀∈=（2） 零变换0T ：0,0x V T x∀∈=（3） 变换的相等：1T 、2T 是V 的两个线性变换，x V ∀∈，均有12T x T x =，则称1T ＝2T（4） 线性变换的和1T +2T ：x V ∀∈，1212()TT x T x Tx +=+（5） 线性变换的数乘kT ：x V ∀∈，()()kT xk Tx =负变换：()()T xTx -=-（6） 线性变换的乘积12TT ：x V ∀∈，1212()()TT x T T x =（7） 逆变换：x V ∀∈，若存在线性变换S 使得eT TS ST ==，则称S 为T 的逆变换 （8） 线性变换的多项式：n n T T T T =个，并规定0e T T = 0()Nnn n f T a T==∑→()Nn n n f T x a T x ==∑需要说明的是：1）线性变换的乘积也是线性变换；2）和矩阵的乘积一样，线性变换的乘积不满足交换律；满足结合律；3）不是所有的变换都具有逆变换，线性变换可逆的充要条件是线性变换是一一对应的 4）若线性变换T 可逆，则其逆变换唯一且1-T 也是线性变换；5）线性空间V 上的线性变换的全体对于定义的加法与数乘运算构成数域K 上的线性空间二、线性变换的矩阵表示线性变换用矩阵表示，将抽象的线性变换转化为具体的矩阵形式。

线性变换与矩阵的相似性在数学中，线性变换和矩阵是两个非常重要的概念。

线性变换是指一个向量空间内的元素进行的一种操作，而矩阵则是线性变换在选择基准下的具体表示。

本文将讨论线性变换和矩阵之间的相似性。

一、线性变换简介线性变换可以将一个向量空间的元素映射为同一向量空间中的另一个元素，保持向量空间的线性结构。

具体而言，设V和W是两个向量空间，如果对于任意的向量x，y∈V和标量a，b∈F（其中F是一个指定的域），满足以下两个条件：1. T(x+y) = T(x) + T(y) （线性性）2. T(ax) = aT(x) （齐次性）则称T:V→W为一个线性变换。

二、矩阵简介矩阵是线性变换在选定的基下的具体表达。

设V和W是两个有限维向量空间，分别选定它们的基v1, v2, ..., vn和w1, w2, ..., wm。

对于线性变换T:V→W，我们可以将T在这两个基下的表达表示为一个矩阵。

具体而言，设x∈V是一个向量，T(x)∈W是T对应的向量，若T(x)在基w1, w2, ..., wm下的坐标是(y1, y2, ..., ym)，则称(y1, y2, ..., ym)为x在基v1, v2, ..., vn下的坐标。

我们可以将所有x在这两个基下的坐标组成一个矩阵，这就是线性变换T在选定基下的矩阵表示。

三、线性变换与矩阵之间存在着一种特殊的关系，即相似性。

对于同一个线性变换T，在不同的基下，其对应的矩阵表示可能是不同的。

然而，这些矩阵之间存在一种特殊的关系，即相似矩阵。

定义：如果存在一个可逆矩阵P，使得P^-1AP=B，其中A和B是n×n矩阵，那么我们称A与B相似。

换句话说，一对相似的矩阵表示的是同一个线性变换在不同基下的具体表达。

相似矩阵之间具有如下性质：1. 相似矩阵具有相同的特征值和特征向量。

设A和B是相似矩阵，且v是A的一个特征向量，那么有Av = λv, 其中λ是A的一个特征值。

此时，对于B，也有B(Pv) = P(Av) = λ(Pv)，即Pv是B的特征向量，λ是B的特征值。

矩阵与线性变换矩阵是线性代数中一个重要的概念，而线性变换则是与矩阵紧密相关的一个概念。

本文将介绍矩阵和线性变换的基本概念及其相关性质。

一、矩阵的定义与性质矩阵是由各种数按照一定的排列方式组成的矩形阵列。

通常用大写字母表示矩阵，如A、B等。

一个m×n的矩阵表示有m行n列的矩阵，其中每个元素可以是实数或者复数。

矩阵加法：对于两个相同维数的矩阵A和B，它们的和A + B也是一个同样维数的矩阵，其中每个元素等于对应位置的两个矩阵元素的和。

矩阵乘法：矩阵乘法是按照一定的规则，将一个m×n的矩阵A乘以一个n×p的矩阵B得到一个m×p的矩阵C。

矩阵乘法具有结合律但不满足交换律。

单位矩阵：单位矩阵是一个特殊的方阵，它的主对角线上的元素全为1，其余元素全为0。

用I表示，即I = [1 0 0 ... 0; 0 1 0 ... 0; ...; 0 0 0 ...1]。

二、线性变换的定义与性质线性变换是一个将一个向量空间映射到另一个向量空间的函数。

线性变换可以用矩阵来表示，而变换前后的向量可以用矩阵乘法的形式表示。

线性变换的定义：对于向量空间V和W，若存在一个映射T：V → W，满足以下两个条件，即可称T为线性变换：1. 对于任意的向量u、v∈V和标量c，有T(u+v) = T(u) + T(v)和T(cu) = cT(u)。

2. T(0) = 0，即线性变换将零向量映射为零向量。

线性变换与矩阵的关系：我们可以通过一个m×n的矩阵A来表示一个线性变换T：R^n → R^m。

对于向量x∈R^n，线性变换T的值可以通过矩阵乘法的形式表示，即T(x) = Ax。

线性变换的性质：1. 线性变换保持向量空间的线性运算，即对于任意的向量u、v∈V和标量c，有T(u+v) = T(u) + T(v)和T(cu) = cT(u)。

2. 线性变换将零向量映射为零向量，即T(0) = 0。

§3 线性变换和矩阵一、线性变换在某组基下对应的矩阵设V 是数域P 上n 维线性空间.n εεε,,,21ΛV 的一组基，现在建立线性变换与矩阵关系. 空间V 中任意一个向量ξ可以被基n εεε,,,21Λ线性表出，即有关系式n n x x x εεεξ+++=Λ2211 (1)其中系数是唯一确定的，它们就是ξ在这组基下的坐标. 由于线性变换保持线性关系不变， 因而在ξ的像A ξ与基的像A 1ε,A 2ε,…，A n ε之间也必然有相同的关系：A ξ=A （n n x x x εεε+++Λ2211）=1x A(1ε)+2x A(2ε)+…+n x A (n ε) (2)上式表明，如果知道了基n εεε,,,21Λ的像，那么线性空间中任意一个向量ξ的像也就 知道了，或者说1. 设n εεε,,,21Λ是线性空间V 的一组基，如果线性变换A 与ℬ在这组基上的作用 相同，即A i ε=B i ε， ,,,2,1n i Λ=那么A= B.结论1的意义就是，一个线性变换完全被它在一组基上的作用所决定.下面指出， 基向量的像却完全可以是任意的，也就是2. 设n εεε,,,21Λ是线性空间V 的一组基，对于任意一组向量n ααα,,,21Λ一定有一个 线性变换 A , 使A i ε=i α .,,2,1n i Λ=定理1 设n εεε,,,21Λ是线性空间V 的一组基，n ααα,,,21Λ是V 中任意n 个向量. 存在唯一的线性变换A 使A i ε=i α .,,2,1n i Λ=定义2 设n εεε,,,21Λ是数域P 上n 维线性空间V 的一组基，A 是V 中的一个线性变换. 基向量的像可以被基线性表出：⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧+++=+++=+++=.,,22112222112212211111n nn n n n n n n n a a a A a a a A a a a A εεεεεεεεεεεεΛΛΛΛΛΛΛΛΛ 用矩阵表示就是A （n εεε,,,21Λ）=（A(1ε)，A(2ε)，…， A(n ε)）=A n ),,,(21εεεΛ (5) 其中⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=nn n n n n a a a a a a a a a A ΛΛΛΛΛΛΛΛΛΛΛ212222111211 矩阵A 称为线性变换A 在基n εεε,,,21Λ下的矩阵.例1 设m εεε,,,21Λ是n )(m n >维线性空间V 的子空间W 的一组基，把它扩充为 V 的一组基n εεε,,,21Λ.指定线性变换A 如下⎩⎨⎧+====.,,1,0,,,2,1,n m i A m i A ii i ΛΛεεε 如此确定的线性变换A 称为子空间W 的一个投影.不难证明A 2=A投影A 在基n εεε,,,21Λ下的矩阵是]练习：7, 8, 9⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛00111O O 这样，在取定一组基之后，就建立了由数域P 上的n 维线性空间V 的线性变换到数域P 上的n n ⨯矩阵的一个映射.前面结论1说明这个映射是单射，结论2说明这个映射是满射. 换句话说，在这二者之间建立了一个双射.这个对应的重要性表现在它保持运算，即有定理2 设n εεε,,,21Λ是数域P 上n 维线性空间V 的一组基，在这组基下，每个 线性变换按公式（5）对应一个n n ⨯矩阵，这个对应具有以下性质：1）线性变换的和对应于矩阵的和；2）线性变换的乘积对应于矩阵的乘积；3）线性变换的数量乘积对应于矩阵的数量乘积；4）可逆的线性变换与可逆矩阵对应，且逆变换对应于逆矩阵.定理2 说明数域P 上n 维线性空间V 的全体线性变换组成的集合)(V L 对于线性变换的 加法与数量乘法构成P 上一个线性空间，与数域P 上n 级方阵构成的线性空间n n P ⨯同构.定理3 设线性变换A 在基n εεε,,,21Λ下的矩阵是A ，向量ξ在基n εεε,,,21Λ下的 坐标是),,,(21n x x x Λ,则A ξ在基n εεε,,,21Λ下的坐标),,,(21n y y y Λ可以按公式⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛n n x x x A y y y M M 2121 计算.二、同一个线性变换在不同基下的矩阵的关系.线性变换的矩阵是与空间中一组基联系在一起的.一般说来，随着基的改变， 同一个线性变换就有不同的矩阵.为了利用矩阵来研究线性变换，有必要弄清楚 线性变换的矩阵是如何随着基的改变而改变的.定理4设线性空间V 中线性变换A 在两组基n εεε,,,21Λ, (6) n ηηη,,,21Λ (7) 下的矩阵分别为A 和B 从基（6）到（7）的过渡矩阵是X ，于是AX X B 1-=.定理4 告诉我们，同一个线性变换A 在不同基下的矩阵之间的关系.定义3 设A ,B 为数域P 上两个n 级方阵，如果可以找到数域P 上的n 级可逆方阵X ， 使得AX X B 1-=，就说A 相似于B ，记作B A ~.相似是矩阵之间的一种关系，这种关系具有下面三个性质：1. 反身性：A A ~2. 对称性：如果B A ~，那么A B ~.3. 传递性：如果B A ~,C B ~,那么C A ~.定理5 线性变换在不同基下所对应的矩阵是相似的；反过来，如果两个矩阵相似， 那么它们可以看作同一个线性变换在两组基下所对应的矩阵.矩阵的相似对于运算有下面的性质.如果X A X B 111-=,X A X B 212-=，那么X A A X B B )(21121+=+-,X A A X B B )(21121-=由此可知，如果AX X B 1-=，且)(x f 是数域P 上一多项式，那么X A f X B f )()(1-=利用矩阵相似的这个性质可以简化矩阵的计算.例2 设V 是数域P 上一个二维线性空间，21,εε是一组基，线性变换A 在21,εε下的 矩阵是⎪⎪⎭⎫⎝⎛-0112计算A 在V 的另一组基21,ηη下的矩阵，这里⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛--=2111),(),(2121εεηη练习： 10, 11, 12, 13, 15, 16, 17, 18。